第18讲 粒子的波动性和量子力学的建立-【帮课堂】2021-2022学年高二物理同步精品讲义（人教版2019选择性必修第三册）

第18讲 粒子的波动性和量子力学的建立 ( 目标导航 ) 课程标准 课标解读 1.知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。 2.体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。 1.了解粒子的波动性，知道物质波的概念。 2.了解什么是德布罗意波，会解释有关现象。 3.了解量子力学的建立过程及其在具体物理系统中的应用。 ( 知识精讲 ) 知识点01 粒子的波动性与物质波的实验验证 （一）粒子的波动性 1．德布罗意波：每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。 2．粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间的关系：ν＝，λ＝。 （二）物质波的实验验证 1．实验探究思路：干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象。 2．实验验证：1927年戴维孙和汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的波动性。 3．说明：除了电子以外，人们陆续证实了中子、质子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝和λ＝关系同样正确。 4．电子、质子、原子等粒子和光一样，也具有波粒二象性。 【知识拓展】 1．对物质波的理解 (1)任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，这种波叫物质波，其波长λ＝.我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小。 (2)德布罗意假说是光的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波。 2．计算物质波波长的方法 (1)根据已知条件，写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p＝mv。 (2)根据波长公式λ＝求解。 (3)注意区分光子和微观粒子的能量和动量的不同表达式．如光子的能量：ε＝hν，动量p＝；微观粒子的动能：Ek＝mv2，动量p＝mv。 【即学即练1】从光的波粒二象性出发，下列说法正确的是（　　） A．光是高速运动的微观粒子，每个光子都具有波粒二象性 B．光的频率越高，光子的能量越大 C．在光的干涉中，暗条纹的地方是光子不会到达的地方 D．在光的干涉中，光子一定到达亮条纹的地方 【答案】B 【分析】A．光是高速运动的微观粒子，光的波动性是对大量光子集体行为的一种描述，所以不能说每个光子都具有波粒二象性，故A错误； B．光的频率越高，光子的能量越大，故B正确； CD．在光的干涉中，亮条纹是光子出现概率高的位置，暗条纹是光子出现概率低的位置，光子并不是一定到达亮条纹的地方，也并不一定就不出现在暗条纹的地方，故CD错误。 故选B。 【即学即练2】影响显微镜分辨率本领的一个因素是衍射，衍射现象越明显，分辨本领越低。使用电子束工作的电子显微镜与传统的光学显微镜相比有更高的分辨本领，它利用高压对电子束加速，最后打在感光胶片上来观察显微图像，以下说法正确的是（　　） A．加速电压越高，电子的波长越短，衍射现象越明显 B．加速电压越高，电子的波长越长，分辨本领越强 C．如果加速电压相同，则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的显微镜分辨本领弱 D．如果加速电压相同，则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的显微镜分辨本领强 【答案】D 【分析】AB．光的波长越大，则波动性越强，越容易发生明显衍射；根据 知加速电压越大，电子束的速度越大，电子的波长 越小，越不容易发生明显的衍射，显微镜的分辨本领越强，A B错误； CD．根据 得 由于质子和电子的电荷量的绝对值相等，而质子的质量远大于电子的质量，故经相同电压加速后的质子动量更大，波长更小，更不容易发生明显的衍射，显微镜的分辨本领更强，C错误D正确。 故选D。 知识点02 量子力学的建立与应用 （一）量子力学的建立 （二）量子力学的应用 借助量子力学，人们深入认识了微观(填“宏观”或“微观”)世界的组成、结构和属性。 1．推动了核物理和粒子物理的发展．人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观(填“宏观”或“微观”)层次的物质结构，又促进了天文学和宇宙学的研究。 2．推动了原子、分子物理和光学的发展 人们认识了原子的结构，以及原子、分子和电磁场相互作用的方式，发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术。 3．推动了固体物理的发展：人们了解了固体中电子运行的规律，并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分。 【即学即练3】太阳帆（英文名：Solar sails）是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。科学家设想未来的宇航事业中，可以在没有空气阻力存在的太空利用太阳帆，为星际飞船提供加速度。假设该飞船所在地，太阳光垂直射到太阳帆上，太阳光子会连续撞击太阳帆并以原速率反射。若太阳帆